Технология, получившая название печать жидким металлом (LMP), предполагает нанесение расплавленного алюминия по заданной траектории на слой крошечных стеклянных шариков.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новую технологию аддитивного производства, которая позволяет сделать именно это. Алюминий быстро застывает в 3D-структуру, готовую к использованию или дальнейшей обработке.
Исследователи утверждают, что LMP по крайней мере в десять раз быстрее, чем аналогичный процесс аддитивного производства металлов, а процедура нагрева и расплавления металла более эффективна, чем некоторые другие методы. Однако у LMP есть свои ограничения. Этот метод жертвует разрешением ради скорости и масштаба и не позволяет достичь высокого разрешения. Однако LMP не лишена недостатков. Этот метод жертвует разрешением ради скорости и масштаба. Хотя она позволяет печатать компоненты большего размера, чем те, которые обычно изготавливаются с помощью более медленных аддитивных технологий, и по более низкой цене, она не может достичь высокого разрешения.
В недавнем исследовании ученые продемонстрировали эту процедуру, напечатав алюминиевые рамы и детали для столов и стульев, которые были достаточно прочными, чтобы выдержать постпечатную обработку. Они показали, как компоненты, изготовленные с помощью LMP, могут быть объединены с процессами высокого разрешения и дополнительными материалами для создания функциональной мебели. LMP подходит для некоторых применений в архитектуре, строительстве и промышленном дизайне, где компоненты больших конструкций часто требуют менее тонких деталей. Ее также можно использовать для быстрого создания прототипов из вторичного сырья или металлолома.
Один из методов печати металлами, распространенный в строительстве и архитектуре, называемый аддитивным производством проволочной дуги (WAAM), позволяет создавать крупные структуры с низким разрешением. Однако они могут быть подвержены растрескиванию и деформации, поскольку некоторые части необходимо переплавлять в процессе печати. C другой стороны метод LMP сохраняет материал расплавленным на протяжении всего процесса, что позволяет избежать некоторых структурных проблем, вызванных переплавкой.
Ученые построили машину, которая плавит алюминий, удерживает расплавленный металл и подает его через сопло на высокой скорости. Крупногабаритные детали можно напечатать за несколько секунд, а расплавленный алюминий остывает за несколько минут. Команда выбрала алюминий, потому что он широко используется в строительстве и может быть переработан дешево и эффективно.
Исследователи экспериментировали с несколькими материалами для заполнения печатного слоя, включая графитовые порошки и соль, а затем выбрали 100 мк стеклянные шарики. Крошечные стеклянные шарики, способные выдерживать чрезвычайно высокую температуру расплавленного алюминия, выступают в качестве нейтральной суспензии, позволяющей металлу быстро остывать. Количество расплавленного материала в тигле, глубина печатной формы, а также размер и форма сопла оказывают наибольшее влияние на геометрию конечного объекта. Например, сначала печатаются части объекта с большим диаметром, поскольку количество алюминия, выдаваемого соплом, уменьшается по мере опустошения тигля. Изменение глубины сопла изменяет толщину металлической структуры.
Для облегчения процесса LMP исследователи разработали численную модель, позволяющую оценить количество материала, подаваемого в печатную форму в определенный момент времени. Поскольку сопло вдавливается в порошок стеклянных шариков, исследователи не могут наблюдать за расплавленным алюминием в процессе его нанесения, поэтому им нужен был способ смоделировать, что должно происходить в определенные моменты процесса печати.
Исследователи использовали LMP для быстрого изготовления алюминиевых рам переменной толщины, которые были достаточно прочными, чтобы выдержать такие процессы обработки, как фрезерование и сверление. Они продемонстрировали сочетание LMP и этих методов постобработки для изготовления стульев и стола, состоящих из алюминиевых деталей с низким разрешением, напечатанных быстрым способом, и других компонентов, например, деревянных заготовок.
Технология является более быстрой и экологичной альтернативой традиционным методам и может произвести революцию в области производства металлов. Однако на 25 января 2024 года она все еще находится на ранней стадии и нуждается в дальнейшей разработке, прежде чем получит широкое распространение.
